淺析數(shù)控銑削4A9全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面質(zhì)量

楊志豐 陳晨

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體終檢的主要工作內(nèi)容為目視檢查發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的加工缺陷與毛坯缺陷，首先，要檢查缸體最重要部位就是缸體的上表面（原因?yàn)榕c缸蓋連接），但終檢工作反饋，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)上表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)周期性的網(wǎng)狀花紋（與正常加工方向相反的刃型痕跡），與正常切削方向產(chǎn)生的刃型痕跡重疊相交形成無高點(diǎn)的網(wǎng)狀花紋（交叉網(wǎng)紋）。網(wǎng)狀花紋增大了目視檢查的工作難度，且造成毛坯缺陷（砂眼、裂紋、缺肉等）和加工缺陷（壓傷等）由于反光并不易被發(fā)現(xiàn)。所以，通過理論學(xué)習(xí)與實(shí)際工作相結(jié)合，對(duì)上述現(xiàn)象來進(jìn)行淺顯的分析。

關(guān)鍵詞：4A9 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體；精加工；平面銑削；花紋；網(wǎng)紋；面銑刀

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵基礎(chǔ)件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體最主要的兩個(gè)工作的部件就是缸體和缸蓋，但是缸體與缸蓋之間并不是直接連接使用的，而是要隔著一層鋼制或者是銅制的墊片，所以缸體表面的制造精度，包括尺寸精度、形狀和位置公差、表面粗糙度等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能至關(guān)重要。缸體的銑削加工逐漸采用數(shù)控高速加工中心代替?zhèn)鹘y(tǒng)專用機(jī)床的生產(chǎn)線，這就對(duì)機(jī)床特性、刀具材料、工具系統(tǒng)、加工程序、切削液使用、測量工具的專用性提出了越來越嚴(yán)格的要求。

缸體的各個(gè)面的加工非常重要，因此選擇合適的刀具對(duì)加工效率和成本控制起關(guān)鍵的作用。重要的面有上下大面、前后端面、瓦蓋結(jié)合面和安裝曲軸用的止推面等等，這些加工面的質(zhì)量直接影響缸體的質(zhì)量，有很嚴(yán)格的公差要求，一般粗加工甚至精加工，可在加工中心上以及專用機(jī)床上加工。缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件材料可以大致分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵（CGI）和鑄鋁。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)這些零部件的加工提出了更高的要求。

沈陽航天三菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司（以下簡稱為“航天三菱”）4A9缸體2線精加工缸體上面是由進(jìn)口三菱重工業(yè)的臥式鏜銑加工中心完成，數(shù)控系統(tǒng)采用專門加工汽車零部件的C70系統(tǒng)。此機(jī)床選用加工平面的刀具類型為數(shù)控面銑刀，工具系統(tǒng)中刀柄為HSK63刀柄、夾具為定位銷加動(dòng)力卡爪，切削液在主軸處及夾具上方，相互配合使用來進(jìn)行缸體的精加工。

在缸體頂面的加工過程中，在頂面表面粗糙度符合規(guī)定要求，但是加工后有視覺刀紋，如圖1所示，刀紋的出現(xiàn)給終檢人員帶來了工作上的煩惱和檢查時(shí)間的增加，影響了生產(chǎn)進(jìn)度?？墒撬蜋z測量班用三坐標(biāo)測量機(jī)床測量反饋后，并沒有測量出高點(diǎn)，即平面度是在公差范圍內(nèi)的。對(duì)此要進(jìn)行一系列的分析來找出產(chǎn)生網(wǎng)狀花紋的產(chǎn)生原因。

1 機(jī)床精度方面

在機(jī)床方面，采用三菱重工業(yè)進(jìn)口的臥式鏜銑加工中心，影響加工結(jié)果的原因很多，傳動(dòng)導(dǎo)軌、線性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸導(dǎo)軌，機(jī)床本體的剛性，工作臺(tái)的安裝精度與剛度等等。

主軸的回運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)誤差是指主軸的實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線與平均回轉(zhuǎn)軸線相偏離的程度，其符合程度是主軸回轉(zhuǎn)精度。主軸回轉(zhuǎn)誤差可分解為3種形式，純軸向竄動(dòng)、純徑向竄動(dòng)和純角度擺動(dòng)。臥式加工中心安裝好銑刀后，由于加工路徑是從下往上切削，刀具體連接主軸直接受力，產(chǎn)生主軸的軸向擺角。但此走刀路徑克服了主軸徑向擺角，即：在加工中主軸軸線和工件平面的夾角為90°。

對(duì)于精加工銑削平面來講，純軸向竄動(dòng)和純徑向竄動(dòng)這兩個(gè)對(duì)平面度誤差并不是很重要，所以可以忽略，所以要單獨(dú)分析純角度擺動(dòng)；但從加工表面的質(zhì)量來分析主軸對(duì)于工件的影響，重點(diǎn)使用主軸裝配的剛性與刀具在工作時(shí)的突出量是關(guān)鍵，如果沒有仔細(xì)考慮就進(jìn)行加工就可能產(chǎn)生問題。

假設(shè)不假思索就讓主軸和刀具突出很長，錯(cuò)誤裝配后會(huì)造成主軸與刀柄、刀柄與銑刀體的裝配剛度下降。這會(huì)使加工面受到較大的阻力刀具刀尖上翹后，切削刃后半圓側(cè)朝下接觸工件的已加工表面造成二次加工，產(chǎn)生振紋，同時(shí)也極有可能使面銑刀切削刃發(fā)生缺口。

2 刀柄方面

由于加工工藝采用高速銑削平面，高速切削加工是集成材料科學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)和制造科學(xué)于一體的高新加工技術(shù)，在汽車制造、航天航空和機(jī)械、模具加工多個(gè)行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。高速銑削在高速加工中扮演了非常重要的角色，在高速加工中有近40%來自于高速銑加工，而高速銑削工具系統(tǒng)是高速銑削機(jī)床的重要組成部分，其性能將影響到加工質(zhì)量和加工效率。

本工序的機(jī)床所使用的高速刀柄是由三菱重工業(yè)生產(chǎn)提供的進(jìn)口HSK63刀柄，這種刀柄是由德國阿亨工業(yè)大學(xué)機(jī)床研究所研究的一種新型的高速短錐形刀柄，特點(diǎn)是空心、中空薄壁結(jié)構(gòu)、短錐、錐度為1∶10；雙定位（錐面和端面同時(shí)定位、夾緊），刀柄在主軸中的定位為過定位；使用由內(nèi)向外的外脹式夾緊機(jī)構(gòu)，造成錐面嚴(yán)格的過盈配合來保證連接剛度。

實(shí)際加工時(shí)切削力會(huì)產(chǎn)生彎矩和扭矩，承載彎矩的力與拉緊力有關(guān)。實(shí)際上，刀柄上承受的彎矩是由橫向作用在刀具上的力產(chǎn)生的，拉緊力會(huì)增加作用在刀柄錐面上的總載荷，在切削加工處所產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激振的持續(xù)作用下，刀柄承受能力明顯下降，在載荷的作用下，刀柄開始處于彈性變形階段，之后進(jìn)入裝夾的承載階段，刀柄和主軸配合的結(jié)合面產(chǎn)生摩擦力，形成很高的扭轉(zhuǎn)剛性。在克服這個(gè)摩擦扭矩之后，剛性隨之下降，繼續(xù)增加載荷并隨著轉(zhuǎn)速的增加，徑向剛度將有所降低，同時(shí)產(chǎn)生主軸刀具的軸向擺角。相對(duì)于最主要的主運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)床主軸來說，它的影響是最大的，但從主軸的穩(wěn)定性來說，它涉及的產(chǎn)生加工表面質(zhì)量的好壞是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差所影響。

3 面銑刀刀具結(jié)構(gòu)方面

面銑刀的刀具結(jié)構(gòu)選用因素：加工上表面面銑刀類型有：疏齒、細(xì)齒、密齒。

本工序選取的類型為密齒。密齒面銑刀應(yīng)用工序是精加工銑削，但從“密齒”兩個(gè)字可以看出：每個(gè)刀齒配備的容屑槽非常小，刀片的數(shù)量選擇必須使得切屑適當(dāng)卷曲并且要離開切削區(qū)域，切屑容屑空間不當(dāng)將導(dǎo)致憋屑，損壞刀刃并影響表面不光潔會(huì)有擠壓類型的刃型痕跡，即：第三切削變形區(qū)域產(chǎn)生無高點(diǎn)“刀花”。

分析刀片幾何角度參數(shù)：使用的刀片是磨制的，精加工刀刃十分鋒利、平直（刀具刃口已經(jīng)用磨條精磨過），刀尖角度中背前角（軸向前角）與側(cè)前角（徑向前角）選取后從加工結(jié)果看應(yīng)該是側(cè)前角>初始接觸角、背前角<余偏角。

此種刀具刀尖角度的選用極大地抑制了切削力矩的產(chǎn)生，并使剪切角度變大，切屑變得很薄。宏觀上來講就是主軸和刀具不產(chǎn)生軸向擺角，刀具后半圓接觸工件與冷卻液澆注效果不良一起提供了導(dǎo)致加工出網(wǎng)紋的不良條件。這也是出現(xiàn)網(wǎng)狀花紋的主要原因之一。

4 切削液方面

4.1 噴射方式

切削液的噴出主要噴射工作方式有主軸內(nèi)外直接噴灑式和天花板噴灑式。

面銑刀安裝好后是呈倒錐形，面銑刀刀片的切削刃被刀具體所蓋?。词故莾?nèi)冷），主軸上的冷卻液垂直噴出后，切削刃有被刀具體阻擋沖不到的可能，或經(jīng)過加工表面與待加工表面反射到刀片上。冷卻液作用大打折扣。天花板噴灑式只是能澆注到加工工作半圓，由于主軸處于高速旋轉(zhuǎn)加工狀態(tài)，并因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力作用，后半圓可能完全澆注不到，后半圓刀刃沒有受到切削液作用，和已加工表面發(fā)生了干涉，產(chǎn)生了網(wǎng)紋。

4.2 切削液本身的問題

黏度不夠，刀具表面粗糙度過大，刀具表面與加工面之間不起困液現(xiàn)象（困油現(xiàn)象），也就達(dá)不到潤滑的作用。切削液本身經(jīng)過高壓流動(dòng)，產(chǎn)生氣泡經(jīng)過內(nèi)冷流道噴出后，沖洗面銑的刀片前刀面時(shí)，會(huì)因?yàn)榱黧w沖擊產(chǎn)生氣泡（消泡劑效果不好）導(dǎo)致前刀面瞬間接觸不到切削液，造成刀刃和過渡表面、切屑和前刀面產(chǎn)生干摩擦切削磨損并隨著切削溫度急劇上升，即前刀面“過燒”，前刀面產(chǎn)生月牙洼磨損，后刀面同時(shí)提前到達(dá)刀具平均磨損寬度VB（這就是網(wǎng)紋無高點(diǎn)的主要原因），就會(huì)在第三切削區(qū)域產(chǎn)生擠壓修光痕跡，即網(wǎng)狀花紋。

結(jié)語

本文提出的4個(gè)方面對(duì)于產(chǎn)生網(wǎng)狀花紋的原因的主要原因，如能在生產(chǎn)中克服這4個(gè)方面中的任何幾點(diǎn)，都能減輕或完全解決產(chǎn)生網(wǎng)狀花紋的情況，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)終檢的效率，以此提高生產(chǎn)效率。

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